Im Rahmen einer aktuellen Forschungsarbeit hat ein Wissenschaftler der Princeton University die erste nichtlineare Studie über die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs durchgeführt, das ein solches nachahmt. Ziel war es, die Natur der von diesen Objekten ausgesendeten Gravitationswellensignale zu verstehen. Dies könnte möglicherweise dabei helfen, Schwarze Löcher genauer zu identifizieren.
Schwarze-Loch-Nachahmer sind hypothetische astronomische Objekte, die Schwarze Löcher nachahmen, insbesondere in ihren Gravitationswellensignalen und ihrer Wirkung auf umgebende Objekte. Ihnen fehlt jedoch ein Ereignishorizont, also der Punkt, an dem es keine Rückkehr mehr gibt.
Die Forschung wurde von Nils Siemonsen, Associate Research Scholar an der Princeton University, durchgeführt, der mit Phys.org über seine Arbeit sprach.
„Schwarzloch-Imitatoren sind Objekte, die Schwarzen Löchern bemerkenswert nahe kommen, denen aber ein Ereignishorizont fehlt. Mithilfe von Gravitationswellenbeobachtungen können wir Schwarze Löcher möglicherweise von Objekten unterscheiden, die die meisten ihrer Eigenschaften nachahmen“, sagte er.
Die Studie, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfungkonzentriert sich auf eine Art von Schwarzloch-Nachahmern, die sogenannten Bosonensterne. Der Schlüssel zur Unterscheidung von Schwarzen Löchern liegt laut Dr. Siemonsen in den Gravitationswellen, die ausgesendet werden, wenn Bosonensterne kollidieren und verschmelzen.
Doppelte Bosonensterne und Verschmelzungen
Bosonensterne sind ein möglicher Kandidat für die Nachahmung schwarzer Löcher und bestehen, wie der Name schon sagt, aus Bosonen. Bosonen sind subatomare Teilchen wie Photonen und das Higgs-Teilchen.
Bosonensterne bestehen aus skalaren Bosonen wie den hypothetischen Axionen, die Bosonen ohne Spin sind, also keinen Eigendrehimpuls besitzen. Die Skalarfelder der Teilchen bilden eine gravitativ gebundene, stabile Konfiguration, ohne dass eine starke Wechselwirkung erforderlich ist.
Bisherige Forschung hat gezeigt, dass die Verschmelzung eines Doppelsternsystems mit Bosonen zu Gravitationswellensignalen führt. Dabei handelt es sich um durch heftige Prozesse verursachte Kräuselungen der Raumzeit.
Diese Signale sind universell identisch mit denen eines Abklingens eines Schwarzen Lochs (oder der Post-Merger-Phase), unabhängig von der inneren Struktur des Schwarzen Loch-Nachahmers.
Der Unterschied in den ausgesendeten Gravitationswellensignalen wird nach einer Lichtdurchquerungszeit im Inneren des Nachahmers sichtbar. Dabei handelt es sich um die Zeit, die das Licht benötigt, um den Durchmesser des Nachahmers, in diesem Fall des Boson-Sterns, zurückzulegen.
Im Falle eines Schwarzloch-Nachahmers äußert sich dies in wiederholten, explosionsartigen Gravitationsechos.
Mit dem Ziel, frühere Forschungsergebnisse zu verfeinern, wollte Dr. Siemonsen Probleme wie die mangelnde Berücksichtigung nichtlinearer Gravitationseffekte und den Ausschluss von Selbstwechselwirkungen innerhalb der Materie des Objekts ansprechen.
Nichtlineare und selbstkonsistente Behandlung von Schwarzloch-Nachahmern
Um die Einschränkungen der früheren Studien zu beheben, verwendete Dr. Siemonsen numerische Simulationen, um die vollständigen Einstein-Klein-Gordon-Gleichungen zu lösen, die die Entwicklung von Skalarfeldern, wie sie beispielsweise in Boson-Sternen vorkommen, beschreiben.
Bezüglich der Verschmelzung konzentrierte sich die Studie auf Szenarien mit großen Massenverhältnissen, also die Verschmelzung eines kleineren Bosonensterns mit einem größeren, kompakteren, wobei die Klein-Gordon-Gleichungen die Frontalkollision des Doppelsternsystems beschreiben.
Die Klein-Gordon-Gleichung, gekoppelt mit Einsteins Feldgleichungen, die die Gravitationsdynamik beschreiben, ermöglicht das Studium der selbstkonsistenten Entwicklung des Systems.
Zur Lösung des Gleichungssystems verwendete Dr. Siemonsen die Newton-Raphson-Relaxationstechnik mit Differenzenmethoden fünfter Ordnung.
Er erläuterte die Herausforderungen bei der Umsetzung dieser Techniken: „Nur unter bestimmten Bedingungen entsteht aus der Verschmelzung zweier Bosonensterne ein Schwarzloch-Nachahmer. Der Bereich in der Lösung, in dem dies geschieht, ist aufgrund der großen Skalenunterschiede besonders schwierig zu simulieren.“
Um diese zu überwinden, wurden Methoden wie adaptive Netzverfeinerung und sehr hohe Auflösung verwendet.
Hochfrequenzstöße
Die Simulationen ergaben, dass das Gravitationswellensignal des Ringdowns sowohl eine burstartige Komponente mit anderen Eigenschaften als bisher angenommen sowie eine langlebige Gravitationswellenkomponente enthält.
„Keine dieser Komponenten ist bei einer regulären Verschmelzung und Abklingen zweier Schwarzer Löcher vorhanden. Dies könnte als Orientierung für zukünftige Gravitationswellensuchen dienen, die sich auf die Prüfung des Schwarzlochparadigmas konzentrieren“, erklärte Dr. Siemonsen.
Das anfängliche Gravitationswellensignal eines Mimickers ähnelt jedoch dem eines rotierenden Schwarzen Lochs (bekannt als Kerr-Schwarzes Loch), da der primäre (oder größere) Bosonenstern kompakter und dichter wird.
Die Studie ergab, dass der Zeitpunkt der Ausbrüche von der Größe des an der Fusion beteiligten kleineren Bosonensterns abhängt.
Darüber hinaus fanden sie eine langlebige Komponente mit einer Frequenz, die mit der von einem Schwarzen Loch zu erwartenden vergleichbar ist, was wahrscheinlich auf Schwingungen des Überrestobjekts zurückzuführen ist.
„Schwarze Löcher verfallen in sehr kurzen Zeiträumen in ihren Ruhezustand. Von Schwarzen Löchern hingegen wird allgemein angenommen, dass sie während des Abklingens der Verschmelzung einen Teil der bei der Verschmelzung verfügbaren Energie in Form von Gravitationswellen wieder aussenden, was über relativ lange Zeiträume hinweg geschieht“, erklärte Dr. Siemonsen.
Schließlich ergab die Studie, dass die in den Gravitationswellen abgegebene Gesamtenergie erheblich größer ist als bei einer vergleichbaren Verschmelzung schwarzer Löcher zu erwarten wäre.
Zukünftige Arbeit
Die beiden in der Studie identifizierten Komponenten könnten als Unterscheidungsmerkmal zwischen dem Überrest einer Schwarzlochverschmelzung und einem Schwarzloch-Nachahmer verwendet werden.
„Es gibt jedoch noch viele unbeantwortete Fragen zu den Eigenschaften gut motivierter Schwarzloch-Nachahmer und ihrer Verschmelzungs- und Abklingdynamik“, fügte Dr. Siemonsen hinzu.
Zu künftigen Arbeiten bemerkte er: „Eine interessante künftige Richtung besteht in der Betrachtung eines gut motivierten Schwarzloch-Nachahmers und dem Verständnis seiner Einspiral-, Verschmelzungs- und Abklingdynamik im Kontext eines Doppelsterns.“
„Darüber hinaus ist die Analyse des Abklingens dieser gut begründeten Nachahmer mithilfe von Störungsanalysen und deren Verknüpfung mit nichtlinearen Behandlungen von entscheidender Bedeutung, um zukünftige Tests des Schwarzloch-Paradigmas mithilfe von Gravitationswellenbeobachtungen zu steuern.“
Weitere Informationen:
Nils Siemonsen, Nichtlineare Behandlung eines Black Hole Mimicker Ringdown, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.031401. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.14536
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